Способ электролиза и электролизер для использования в нем
Изобретение относится к способу электролиза и электролизеру для извлечения металла из водного раствора. Способ включает этап создания неравномерной плотности тока по поверхности осаждения таким образом, чтобы сформировать участки высокой плотности тока, перемеженные участками низкой плотности тока. Различие между участками высокой плотности тока и участками низкой плотности тока является достаточным для того, чтобы вызвать концентрирование осаждения металла на участках высокой плотности тока для способствования неравномерному осаждению металла по поверхности осаждения. Электролизер содержит катод с поверхностью осаждения, на которую осаждается металл при электролизе водного раствора. Поверхность осаждения катода имеет неоднородное электрическое поле, имеющее участки сильного электрического поля, перемеженные участками слабого электрического поля за счет создания на его поверхности упорядоченного набора чередующихся гребней и впадин, при этом гребни образуют участки сильного электрического поля, а впадины образуют участки слабого электрического поля. Техническим результатом является облегчение снятия осадка металла. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к способу электролиза для извлечения металлов из водного раствора и к усовершенствованному катоду для использования в таком способе. Основное применение раскрытого здесь изобретения связано с извлечением меди, однако изобретение также находит применение при электрохимическом извлечении других металлов, таких как никель, свинец, цинк и т.д.
Уровень техники
В области гидрометаллургии известны способы выщелачивания неблагородных металлов из руд и концентратов с последующим извлечением неблагородного металла в электролизерах. Один из примеров такого способа раскрыт в заявке на патент Австралии № 42999/93 (669906). Данный способ является многостадийным и дает поток насыщенного раствора после выщелачивания минерала в хлоридной среде. Поток насыщенного раствора подвергают электролизу в электролизере для извлечения из раствора металла, который осаждается на катоде электролизера. При высоких плотностях тока на катоде образуется дендритная медь высокой чистоты. В прошлом требовалось периодически извлекать катоды для очистки пластин от осадков металла с тем, чтобы поддерживать выход по току в электролизере.
Оптимизация операции электрохимического извлечения зависит от чистоты потока насыщенного раствора и общих параметров электролизера, таких как плотность тока, цикл очистки, конфигурация электролизера и степень (интенсивность) перемешивания. В соответствии с вышеизложенным цель настоящего изобретения заключается в повышении эффективности операции электрохимического извлечения. В частности, цель заключается в создании способа электролиза и конструкции электролизера, который способен лучше управлять плотностью тока по поверхности осаждения катода с тем, чтобы способствовать как образованию, так и снятию осадка металла.
Раскрытие изобретения
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается способ электролиза для извлечения металла из водного раствора, согласно которому при электролизе вызывают осаждение растворенного металла на поверхности осаждения катода, включающий в себя этап создания неравномерной плотности тока по поверхности осаждения таким образом, чтобы сформировать участки высокой плотности тока, перемеженные участками низкой плотности тока, при этом различие между участками высокой плотности тока и низкой плотности тока является достаточным для того, чтобы вызвать концентрирование осаждения металла на участках высокой плотности тока для способствования неравномерному осаждению металла по поверхности осаждения.
В контексте изобретения поверхность осаждения может иметь цельную конструкцию (монолитное строение) или, альтернативно, может быть выполнена из отдельных элементов, которые могут быть разнесены друг от друга или находиться в непосредственном контакте друг с другом.
Создание неравномерной плотности тока по поверхности осаждения обеспечивает механизм, посредством которого можно управлять осаждением металла на данной поверхности. В частности, это позволяет концентрировать осаждение металла на определенных участках (т.е. участках высокой плотности тока) с тем, чтобы способствовать неравномерному осаждению по поверхности. Неравномерное осаждение металла является выгодным, поскольку его легче снимать с катода, что содействует процессу извлечения металла.
Предпочтительно осаждение металла сильно сконцентрировано на участках высокой плотности тока, так что осаждение металла по поверхности осаждения является фактически прерывистым. При эксплуатации электролизера концентрация осадка металла на участках высокой плотности тока предпочтительно составляет более 80%, а предпочтительнее - более 95%.
Предпочтительно участки высокой плотности тока и низкой плотности тока вытянуты вдоль поверхности в одном направлении и чередуются по поверхности в накрестлежащем направлении. При данной конструкции металл осаждается в виде последовательности в целом линейных полос, что идеально подходит для снятия с использованием зачищающего действия, которое будет более подробно описано ниже.
Предпочтительно в способе электролиза вызывают неравномерную плотность тока по поверхности осаждения за счет обеспечения катода, который при эксплуатации электролизера создает неоднородное электрическое поле с участками сильного электрического поля и слабого электрического поля. При данной конструкции участки сильного электрического поля создают участки высокой плотности тока, а участки слабого электрического поля создают участки низкой плотности тока.
Неоднородное электрическое поле может быть создано посредством многочисленных механизмов, включая геометрию поверхности, и путем изменения электрического сопротивления между катодом и анодом вдоль поверхности осаждения или посредством сочетания обоих упомянутых механизмов.
Геометрия поверхности влияет на электрическое поле и связана с кривизной данной поверхности. Электрические поля всегда перпендикулярны поверхности и поэтому острые кромки или вершины на поверхности осаждения создают участки более сильного электрического поля по сравнению с участками плоской поверхности или впадинами. Электрическое сопротивление может варьироваться за счет использования разных материалов вдоль поверхности осаждения (например, снабжения участков изолирующим материалом) или за счет изменения длины пути тока между катодом и анодом.
В предпочтительном варианте неоднородное электрическое поле наводится на поверхности осаждения за счет геометрии поверхности и, в частности, за счет формирования последовательности чередующихся по поверхности гребней и впадин. Благодаря данной геометрии при эксплуатации электролизера электрическое поле вдоль гребней является более сильным, чем вдоль впадин. Кроме того, длина пути тока на гребнях короче, чем на впадинах, вследствие чего создается ситуация, при которой имеет место меньшее сопротивление на гребнях по сравнению со впадинами.
Изменение плотности тока по поверхности осаждения может быть таким, что имеет место резкое разделение между участками высокой плотности тока и низкой плотности тока, или, альтернативно, может существовать более постепенный (плавный) переход между участками высокой плотности тока и низкой плотности тока.
Заявитель установил, что создание постепенного перехода между участками наибольшей и наименьшей плотности тока все же обеспечивает хорошие профили осаждения для того, чтобы способствовать по существу прерывистому росту по поверхности осаждения. В частности, заявитель установил, что использование катода, который включает в себя поверхность осаждения с гребнями и впадинами и в котором отсутствуют резкие переходы между гребнями и впадинами так, что имеет место более постепенное изменение между наибольшей плотностью тока и наименьшей плотностью тока, обеспечивает высокие рабочие характеристики. Данная конструкция вызывает вторичные эффекты, которые способствуют концентрированию осаждения металла на гребнях, как подробнее изложено ниже, а также обеспечивает более простое снятие металла, поскольку она позволяет более легко осуществлять доступ ко всей поверхности осаждения, в противоположность резкому переходу между гребнем и впадиной, способному создавать участки, к которым трудно подступиться.
В предпочтительном варианте, в котором электролизер предназначен для выделения меди из водного раствора, плотность тока на участках высокой плотности тока находится в диапазоне от 500 до 2500 А/м2, а предпочтительнее - составляет 1000 А/м2. Плотность тока на участках низкой плотности тока предпочтительно находится в диапазоне от 0 до 1250 А/м2, а предпочтительнее - от 0 до 500 А/м2.
В случае постепенного перехода между участками наибольшей плотности тока и наименьшей плотности тока разделение между участками «высокой плотности тока» и «низкой плотности тока» является в некоторой степени произвольным. При данной конструкции переходную область можно рассматривать как участок умеренного (среднего) тока, который, в свою очередь, располагается между соседними участками «высокой плотности тока» и участками «низкой плотности тока».
Предпочтительно способ дополнительно включает в себя этап снятия осажденного металла с поверхности осаждения путем проведения элемента по поверхности.
Предпочтительно в той конструкции, где участки высокой плотности тока и низкой плотности тока вытянуты вдоль поверхности в одном направлении и чередуются по поверхности в накрестлежащем направлении, элемент перемещают в том направлении, в котором вытянуты участки высокой и низкой плотности тока.
Предпочтительно осажденный металл снимают элементом при поддержании электрического тока в водном растворе. В этом случае технологический процесс может быть по существу непрерывным.
В еще одном своем аспекте настоящее изобретение относится к электролизеру для электрохимического извлечения металла из водного раствора, содержащему катод, который включает в себя поверхность осаждения, на которую осаждается металл при электролизе водного раствора, причем во время работы электролизера поверхность осаждения имеет неоднородное электрическое поле, так что имеются участки сильного электрического поля, перемеженные участками слабого электрического поля, причем различие между участками сильного электрического поля и слабого электрического поля является достаточным для того, чтобы вызвать концентрирование осаждения металла на участках сильного электрического поля для способствования неравномерному осаждению металла на поверхности.
Предпочтительно участки сильного электрического поля и слабого электрического поля вытянуты вдоль поверхности в одном направлении и чередуются по поверхности в накрестлежащем направлении. В особо предпочтительном варианте поверхность осаждения катода содержит набор чередующихся гребней и впадин, при этом гребни образуют участки сильного электрического поля, а впадины образуют участки слабого электрического поля.
Профилирование поверхности осаждения с получением набора чередующихся гребней и впадин дает существенное преимущество в части способствования, по существу, прерывистому осаждению металла на катоде. Такое профилирование обычно способствует осаждению металла в виде роста дендритов на каждом из гребней. Полученные в результате дендриты обеспечивают преимущество легкого снятия (как описано ниже). Такой профиль не только обеспечивает в начале работы электролизера подходящую неравномерную плотность тока для концентрирования осаждения металла на гребнях в виде дендритов, но также способствует сохранению прерывистого роста по мере продолжения процесса. Должно быть понятно, что, как только металл осаждается на поверхность осаждения, осажденный металл образует продолжение поверхности осаждения. Преимущество применения конструкции с гребнями и впадинами состоит в том, что по мере роста на гребнях дендриты имеют тенденцию «затенять» впадины, что дополнительно препятствует осаждению металла во впадинах. Кроме того, водный раствор проявляет склонность к застаиванию во впадинах, что дополнительно препятствует осаждению металла во впадинах. При испытаниях, проведенных заявителем с использованием профиля из чередующихся гребней и впадин, более 98,8% металла осаждалось на гребнях поверхности осаждения.
Хотя полезные эффекты от использования гребней и впадин могут быть достигнуты с множеством профилей, заявители установили, что хорошие результаты обеспечиваются периодическим профилем, у которого поверхности между верхом гребня и основанием впадины являются, по существу, линейными и имеют внутренний угол приблизительно 60° между соседними поверхностями. Кроме того, шаг между соседними гребнями предпочтительно составляет порядка 10-40 мм, предпочтительнее - 15-25 мм, а глубина между гребнем и впадиной составляет порядка 8-32 мм, а предпочтительнее находится в диапазоне 12-20 мм. Установлено, что поверхность осаждения с данными характеристиками дает, по существу, прерывистые осадки металла. Дополнительное преимущество состоит в том, что данный профиль позволяет очищать поверхность, по существу, без создания «горячих пятен» по плотности тока, что привело бы к загрязнению осадков металла. Если плотность тока в каком-то месте слишком высока, то по мере протекания осаждения это ведет к концентрационной поляризации (что имеет место вокруг растущего осадка). Если указанное явление случается, то в осаждающемся металле (например, в меди) может появиться сравнительно большее количество примесных включений. Поэтому важно управлять плотностью тока в данном месте. Преимущество вышеупомянутого профиля состоит в том, что участки высокой плотности тока, на которых осаждается металл, продолжают занимать значительную часть общей площади катода (т.е. примерно 25-35% от общей площади поверхности осаждения). При данной конструкции ток может поддерживаться на, по существу, постоянном значении независимо от того, является ли поверхность чистой от осадков металла или осаждение уже произошло. Как таковая отсутствует необходимость в наращивании тока при запуске (включении) электролизера, поскольку сам профиль не склонен создавать сильные «горячие пятна» по плотности тока, которые, вероятно, вызывают проблемы в начале осаждения металла.
В особо предпочтительном варианте катод включает в себя лист с по меньшей мере одной основной поверхностью, которая образует поверхность осаждения катода, при этом лист предварительно отформован для придания ему чередующихся гребней и впадин. Следовательно, лист может задавать гофрированный профиль. Данная операция предварительно формования предпочтительно достигается путем складывания (сгибания) листа, но она может выполняться любым другим подходящим способом, таким как штампование, фрезерование, обжим, литье или их сочетания.
В особо предпочтительном варианте лист выполнен из титана или аналогичного стойкого к окислению материала. Несмотря на то, что могут быть использованы другие стойкие к окислению материалы, такие как платина, нержавеющая сталь, коррозионно-стойкие металлические сплавы, титан является наиболее предпочтительным вследствие его высокой стойкости к окислению, его способности сопротивляться формированию металлургической связи с такими металлами, как медь, и вследствие его относительной доступности.
Дополнительное преимущество от использования гофрированного профиля состоит в том, что он содействует сохранению размерной стабильности листа. Данная конструкция может способствовать преодолению недостатков известных из уровня техники конструкций, в которых листовые катоды были склонны изгибаться и деформироваться. Кроме того, когда металл осаждается на листе в виде растущих дендритов или кристаллитов, размерная стабильность листа позволяет использовать способы зачистки для простого удаления осадка с листа. Заявители установили, что титановые листы толщиной порядка 1,6 мм обеспечивают достаточную размерную стабильность для данного способа.
Предпочтительно лист выполнен с возможностью прикрепления при работе к проводящему верхнему брусу. Данный верхний брус при работе служит опорой катода и подводит к нему электроны.
В одном из вариантов противоположные основные поверхности складчатого листа используют в качестве поверхностей осаждения при эксплуатации катода.
В альтернативном варианте катод выполнен в виде составной конструкции и дополнительно содержит проводящий элемент, который простирается (вытянут) вдоль листа. Проводящий элемент электрически соединен с листом с тем, чтобы при работе снабжать поверхность осаждения электронами в процессе электролиза. Одно из преимуществ использования проводящего элемента, который вытянут вдоль листа, заключается в том, что он сводит к минимуму омическое падение напряжения, которое возникает, когда электроны подводятся только с одного края листа. Второе преимущество использования проводящего элемента заключается в том, что он может иметь достаточный размер для придания листу жесткости с тем, чтобы дополнительно способствовать сохранению размерной стабильности катода. Следовательно, при составной конструкции можно использовать более тонкие листовые конструкции для поверхности(-ей) осаждения.
В предпочтительном варианте этой последней конструкции катод содержит второй лист, который соединен с первым листом и который имеет основную поверхность, которая образует вторую поверхность осаждения катода, при этом второй лист предварительно отформован для придания ему чередующихся гребней и впадин вдоль этой поверхности осаждения. Предпочтительно второй лист соединен с первым листом катода так, чтобы сформировать множество полостей, которые вытянуты в направлении чередующихся гребней и впадин. По меньшей мере некоторые из данных полостей выполнены с возможностью размещения в них проводящего элемента катода.
В предпочтительном варианте зачищающее устройство выполнено с возможностью проведения по поверхности осаждения катода для того, чтобы снимать осажденный материал с поверхности осаждения. В особо предпочтительном варианте, в котором катод содержит профиль из гребней и впадин, зачищающее устройство содержит множество выступов, которые выполнены с возможностью помещения в соответствующие впадины поверхности осаждения. В предпочтительном варианте эти выступы выполнены из керамического материала, но они могут быть выполнены из любого другого коррозионно-стойкого материала.
В предпочтительном варианте выступы имеют возможность перемещения между первым и вторым положением и выполнены с возможностью проведения по поверхности в любом из данных положений. В первом положении элемент находится в контакте с поверхностью осаждения или в непосредственной близости к ней, так что снимает по существу весь осажденный материал с этой поверхности. Во втором положении элемент предпочтительно отстоит от поверхности осаждения и выполнен с возможностью для снятия осажденного материала, который выступает на заданное расстояние от поверхности осаждения.
В еще одном своем аспекте настоящее изобретение относится к катоду для использования в любом из вышеописанных вариантов способа или электролизера.
В еще одном своем аспекте настоящее изобретение относится к зачищающей системе для использования в любом из вышеописанных вариантов электролизера.
В еще одном своем аспекте настоящее изобретение относится к катоду для использования в электролизере для электрохимического извлечения металла из водного раствора, содержащему поверхность осаждения с множеством гребней, перемеженных множеством впадин, причем профиль катода предназначен вызывать во время работы электролизера концентрирование осаждения металла на гребнях для способствования неравномерному осаждению металла на этой поверхности.
Краткое описание чертежей
Хотя существуют разнообразные варианты, которые могут находится в пределах объема настоящего изобретения, ниже, исключительно в качестве примера, приведено описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой обобщенную блок-схему переработки и извлечения меди;
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе электролизера в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения с наборами скребков электролизера в закрытом положении;
Фиг.3 представляет собой вид сбоку в разрезе электролизера по Фиг.2;
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе электролизера по Фиг.2 со скребками в открытом положении;
Фиг.5 представляет собой местный вид рычажного механизма в сборе в электролизере по Фиг.2;
Фиг.6 представляет собой вид в перспективе с местным разрезом электролизера по Фиг.2;
Фиг.7 представляет собой увеличенный схематический вид скребков, расположенных в открытом положении сверху катодных пластин;
Фиг.8 представляет собой увеличенный местный вид скребков в закрытом положении;
Фиг.9 представляет собой вид спереди катодной панели, использованной в электролизере по Фиг.2;
Фиг.10 представляет собой вид с торца панели по Фиг.9;
Фиг.11 представляет собой схематический вид в перспективе скребка, находящегося в зацеплении с катодом в электролизере по Фиг.2;
Фиг.12 представляет собой вид в разрезе по линии XII-XII на Фиг.11;
Фиг.13 представляет собой местный вид конструкции лезвия скребков, использованных в электролизере по Фиг.2;
Фиг.14 и 15 представляют собой варианты конструкции лезвия, изображенного на Фиг.13;
Фиг.16 представляет собой схематический вид в перспективе альтернативной конструкции катода, предназначенного для использования в электролизере по Фиг.2; и
Фиг.17 представляет собой вид в разрезе по линии XVII-XVII катода по Фиг.16.
Варианты осуществления изобретения
На Фиг.1 схематически представлен комплексный процесс 100, включающий в себя выщелачивание и электрохимическое извлечение 104 металла. В предпочтительном варианте осуществления данного процесса измельченный сульфид меди 106 подают в многоступенчатый процесс противоточного выщелачивания, в котором металлы переводят в раствор путем окисления выщелачивателем. В предпочтительном варианте выщелачиватель содержит комплексное галогенидное вещество, которое образуется на аноде на последующей стадии электролиза и подается обратно на стадию выщелачивания в виде части рециклируемого электролита 108.
Растворенные металлы в желательных степенях окисления выводят из процесса выщелачивания на различных его ступенях в продукте выщелачивания. Продукт выщелачивания пропускают через стадию фильтрации 110 для удаления нежелательных твердых частиц, таких как сера и оксид железа(III). Затем продукт выщелачивания подают на стадию очистки 112 для удаления металлов, которые могут в противном случае загрязнять последующий электролиз (таких как серебро и ртуть). Загрязняющие металлы могут быть осаждены в виде оксида или карбоната металла.
Затем очищенный продукт выщелачивания подают на стадию электролиза 104, которая может быть реализована во множестве групп электролизеров (электролитических ячеек), соединенных последовательно и/или параллельно. В каждой группе возможно получение разного металла, при этом металлическую медь обычно электрохимически извлекают в электролизерах первой группы, а такие металлы, как цинк, свинец и никель, извлекают в электролизерах последующих или параллельных групп. Процесс электролиза обычно проводят так, что на аноде получают сильно окислительный выщелачиватель (такой как комплексное галогенидное вещество). Затем отработанный электролит (анолит) возвращают (рециклируют) на стадию выщелачивания с содержащимся в нем сильно окислительным выщелачивателем, который участвует в дальнейшем противоточном выщелачивании. Следовательно, процесс можно проводить непрерывно.
Настоящее изобретение связано с оптимизацией электрохимического извлечения металлов и относится к существенным конструктивным усовершенствованиям в процессе электролиза, включая усовершенствованные конструкцию и геометрическую форму катода.
Обращаясь теперь к Фиг.2-5, электролизер 10 для использования в процессе 100 содержит ряд катодных пластин 11, которые расположены в электролизной ванне 50 с анодами 12 в промежутках между ними. Электролит, подаваемый в электролизер, обеспечивает протекание электрического тока между анодами и катодами. Внешние поверхности 13, 14 соответствующих катодов образуют в электролизере поверхность осаждения, на которой во время работы электролизера 10 осаждается извлекаемый металл. Как подробнее описано ниже, катодные пластины выполнены из, в целом, гофрированного профиля с чередующимися гребнями и впадинами с тем, чтобы воздействовать на режим осаждения металла на соответствующих поверхностях 13 и 14 осаждения.
Электролизер 10 содержит зачищающую систему 15, которая содержит множество скребковых наборов 16, предназначенных для входа с сопряжением между соответствующими катодами и анодами, при этом скребки 17 соответствующих скребковых наборов 16 предназначены для перемещения по поверхностям 13 и 14 осаждения соответствующих катодов 11 с тем, чтобы снимать осадки металла с данных поверхностей. Скребки 17 выполнены с возможностью зачистки соответствующих поверхностей 13 и 14 осаждения через заданные промежутки с тем, чтобы вызвать падение отделенного металла на дно электролизера 10, где он перемещается на конвейер 18 для удаления из электролизера.
Для достижения данного зачищающего действия в зачищающей системе 15 предусмотрены два принципиальных перемещения, при этом первое представляет собой вертикальное перемещение, обеспечивающее возможность движения скребковых наборов 16 между верхом и низом соответствующих катодов 11, а второе обеспечивает возможность перемещения скребков 17 каждого набора 16 из открытого положения (нагляднее всего показанного на Фиг.7) в закрытое положение (нагляднее всего показанное на Фиг.8).
Скребковые наборы 16 установлены на раме 32, которая закреплена на своем верхнем конце к четырем опорным стойкам 19, 20, 21 и 22. Каждая из этих стоек содержит винтовую канавку 23, которая взаимодействует с червячным колесом 24, соединенным с рамой 32. Таким образом, рама 32 перемещается относительно стоек. Электродвигатель 25, закрепленный на поперечной балке 26, предназначен для привода червячных колес 24 для обеспечения вертикального перемещения скребковых наборов относительно поверхностей 13 и 14 осаждения. Во время данной операции скребки способны перемещаться между нижним положением, изображенным на Фиг.2, и верхним положением, изображенным на Фиг.4.
Рама 32 служит опорой для рычажного механизма 27, который, в свою очередь, соединен со скребковыми наборами 16. Рычажный механизм 27 содержит пару соединительных пластин 28 с каждой стороны скребковых наборов 16, которые соединены с соответствующими соединительными тягами 29. Кулиса 30 шарнирно соединена с соответствующими парами соединительных пластин 28 посредством поворотных осей 31. Рычаги 40 кулис проходят из кулисы 30 к скребковых наборам 16 для обеспечения опоры для каждого конца скребковых наборов. Соединительные тяги 29 приспособлены для вертикального перемещения посредством второго привода 41. В изображенном варианте второй привод выполнен в виде червячных колес, которые взаимодействуют с винтовыми канавками, выполненными на соответствующих соединительных тягах. Червячные колеса вращаются и вызывают поворот соединительных тяг 29 для приведения данных тяг в вертикальное движение относительно рамы 32, что, в свою очередь, приводит в движение кулису 30 для перемещения скребков между их открытым и закрытым положениями. Второй привод можно амортизировать для предотвращения пережима и заклинивания скребков на катоде. Амортизацию можно обеспечить пружинной муфтой или путем использования пневмоцилиндра вместо червячного колеса.
Как лучше всего показано на Фиг.6, каждая линия катодов в электролизере 10 выполнена из множества катодных пластин 11, которые соединены с верхним брусом 34 так, что отдельные пластины подвешены в ванне 50. Верхний брус 34 является проводящим и подключен к источнику питания для подвода электронов к катоду.
Обычно электролит имеет высокую коррозионную активность вследствие характерной 5-молярной или более высокой концентрации галогенидов щелочных или щелочно-земельных металлов. Для обеспечения возможности работы деталей в данной среде зачищающая система 15 выполнена из коррозионно-стойкого материала, которым предпочтительно является титан. К другим подходящим материалам относятся платина, нержавеющая сталь, коррозионно-стойкие металлические сплавы (например, Hastalloy C 22) или даже некоторые пластики. Кроме того, титан наиболее предпочтителен для катода вследствие его прекрасной коррозионной стойкости и его способности противостоять образованию металлургической связи с таким металлом, как медь, и благодаря его относительной доступности (и потому выгодности с точки зрения затрат). Сопротивление титана образованию металлургической связи улучшает способность пластин к зачистке с использованием вышеописанной зачищающей системы.
Фиг.9 и 10 иллюстрируют конструкцию отдельных катодных пластин 11. В изображенном варианте катодная пластина 11 выполнена из титанового листа с толщиной, которая предпочтительно составляет примерно 1,6 мм. Заявитель определил, что листы данной толщины придают катодной пластине необходимую жесткость для предотвращения коробления во время работы. Титановый лист складывают с образованием в целом гофрированного профиля таким образом, чтобы обеспечить на каждой поверхности 13, 14 осаждения чередующиеся впадины и гребни 35, 36 соответственно. Данные складки проходят по всей длине катода от его верхней кромки 37 до нижней кромки 38 соответственно.
В изображенном варианте расстояние между соседними гребнями 36 составляет 20 мм, а глубина между вершиной гребней 36 и дном впадин 35 составляет приблизительно 16 мм. Поверхности 43 стенок, образованные на гофрированном листе, являются в целом линейными и имеют внутренний угол при вершине гребней и дне впадин в приблизительно 60°.
Основная цель придания складок катоду состоит в воздействии на плотность тока на поверхностях 13, 14 осаждения во время работы электролизера. В частности, складки на поверхности осаждения вызывают неравномерное электрическое поле на данной поверхности во время работы электролизера.
Гофрированная поверхность осаждения на катоде создает полосы высокой плотности тока вдоль гребней катода вследствие соответствующего им сильного электрического поля на данных участках и относительно низких плотностей тока во впадинах. Это вызывает концентрированное осаждение металла на участках высокой плотности тока и способствует неравномерному осаждению по поверхности, так что подавляющая часть осаждения приходится на области 35 гребней поверхности осаждения. Создание по существу прерывистого осаждения улучшает способность к снятию извлеченного металла с катода с использованием зачищающей системы 15.
Профиль поверхности осаждения с впадинами и гребнями вызывает неравномерное электрическое поле за счет двух механизмов. Во-первых, вследствие геометрии профиля электрическое поле будет более сильным на гребнях, чем во впадинах, из-за кривизны этой поверхности. В целом, линии электрического поля всегда перпендикулярны поверхности. Поэтому на каждом гребне будет иметь место концентрирование поля вдоль данных точек. Во-вторых, путь электрического тока на гребнях короче пути электрического тока на впадинах. В результате на гребнях имеется меньшее сопротивление, чем во впадинах.
Кроме того, использование гофрированного профиля на катоде обеспечивает возможность более точного управления в основных местах осаждения (т.е. вдоль гребней). Если плотность тока в некотором месте является слишком высокой, то это приводит по мере протекания осаждения к концентрационной поляризации (которая имеет место вокруг растущего осадка). Если происходит данное явление, то в осаждающемся металле (например, в меди) может появиться сравнительно большее количество примесных включений. При гофрированном профиле на основные места осаждения приходится приблизительно 25-35% общей площади поверхности катода. В зависимости от массопереноса в идеале ток на поверхности осаждения должен составлять примерно 1000 А/м2 или меньше. По мере роста дендритов на этой поверхности фактическая площадь поверхности осаждения возрастает, так как металл осаждается на ранее осажденный металл. Если исходные места осаждения на катоде слишком малы, то имеет место тенденция к тому, что после снятия дендритов с катода плотность тока в данном месте становится слишком высокой. Путем испытаний, проведенных заявителем с использованием гофрированного профиля, установлено, что плотность тока в местах осаждения как в начале работы электролизера, так и после того как произошло нарастание дендритов, можно выдерживать вблизи 1000 А/м2 с тем, чтобы обеспечивать высокое качество осажденного металла. Как таковая отсутствует необходимость в изменении тока во время процесса.
Дополнительное преимущество от использования гофрированного профиля на катоде состоит в том, что он повышает жесткость катодной пластины, поскольку гофрированный профиль по своей сути жестче плоской пластины вдоль направления гребней и впадин. Кроме того, гофрированный профиль идеально пригоден для очистки с использованием системы зачищающих лезвий, более подробно описанной ниже.
Как видно из Фиг.11-15, скребки 17 содержат пальцы 39, которые закреплены между парой планок 42. В изображенном варианте каждый из отдельных пальцев выполнен из керамического материала, а планки выполнены из титана. Каждый из пальцев установлен вдоль планки 42 с таким шагом, что скребки 17 в целом совпадают по форме с гофрированной катодной пластиной 11, при этом отдельные пальцы заходят во впадины 35 поверхности осаждения и проходят поверх соответствующих гребней 36.
Как лучше всего показано на Фиг.12, зачищающая система 15 конструктивно выполнена так, что в том случае, когда скребковые наборы 16 находятся в своем закрытом положении, скребки 17 расположены под углом к катодной пластине 11 и поэтому отдельные пальцы 39 находятся в отстающем положении (позади) относительно линии движения скребка 17 вниз по катодной пластине 11. Данная конструкция является предпочтительной, поскольку она не допускает заклинивание пальцев во впадинах, что могло бы случиться, если бы пальцы 39 находились в опережающем положении относительно направления движения скребков вниз по катодной пластине.
Как описано выше, в силу конфигурации катодных пластин 11 извлеченный из электролизера металл концентрируется на гребнях соответствующих поверхностей осаждения электролизера. По существу, когда скребок 17 перемещают по поверхности осаждения, отделенный от гребней материал стремится к перемещению в соседние впадины поверхности осаждения. Это приводит к накоплению во впадинах металла, который имеет тенденцию обволакивать пальцы 39 и тем самым защищать керамические пальцы 39 от износа. Кроме того, происходит нарастание силы трения по мере того как масса материала перемещается вниз по поверхности осаждения, что помогает снятию материала, поскольку материал соскребается с поверхности под действием данной силы трения. Пальцы 39 не обязательно должны находиться в непосредственном контакте с поверхностью осаждения для того, чтобы обеспечить надлежащую очистку данной поверхности.
Другое преимущество такой конструкции зачищающей системы 15 заключается в том, что она обеспечивает разные степени очистки катодов. В частности, как описано выше, скребки 17 могут быть выполнены с возможностью съема основной массы осажденного материала с поверхностей осаждения за счет протаскивания по данным поверхностям, когда они находятся в своем закрытом положении. Скребки можно также перемещать по осадку в том случае, когда они находятся в своем открытом положении. Этот случай используют не для полной очистки поверхности осаждения, а для того чтобы обеспечивать отсутствие протяженных дендритных наростов на части поверхности осаждения, которые в противном случае могли бы вырасти до такой степени, что придут в контакт с анодом и, тем самым, вызовут короткое замыкание электролизера. Кроме того, этот случай создает возможность для более согласованного роста по гребням катода, что способствует управлению плотностью тока по поверхности осаждения.
Фиг.14 и 15 иллюстрируют некоторые модификации конструкции скребков 17. Аналогично конструкции по Фиг.13 каждый из скребков 17 содержит керамические пальцы 39. Однако вместо использования конструкции с планками 42, как показано на Фиг.13, пальцы 39 соединены между собой внутренним соединительным стержнем 44. В варианте осуществления по Фиг.14 стержень 44 выполнен с квадратным поперечным сечением, а соединительный стержень на Фиг.15 выполнен из двух цилиндрических стержней 45.
Обращаясь теперь к Фиг.16 и 17, там изображена альтернативная конструкция катода. В данном варианте осуществления катод выполнен в виде составной конструкции, в которой внешние поверхности 13, 14 осаждения образованы отдельными листами, которые скреплены друг с другом вдоль их соответствующих боковых кромок 60, 61 и которые могут, при необходимости, быть скреплены друг с другом на промежуточных участках 62.
В данном варианте осуществления множество проводящих стержней 63 образует часть конструкции и простирается вниз от верхнего бруса 34, при этом проводящие стержни обычно также выполнены из титана (или покрытых титаном медных стержней для дополнительного повышения проводимости). Проводящие стержни обычно проходят на всю длину пластин 13, 14 сквозь каждый из каналов, образованных между пластинами, и прикреплены к ним. Данная конструкция обеспечивает улучшенное распределение электронов по всей сборке и тем самым сводит к минимуму омическое падение напряжения, которое может возникнуть, когда электроны подводятся только к одному краю листа. Кроме того, было установлено, что составная конструкция, включая расположение проводящих стержней в каналах, повышает размерную стабильность листа, так что в качестве катода можно использовать конструкции из тонких пластин (например, тоньше 1 мм) или, альтернативно, конструкции из широких пластин. В других отношениях принципы работы катода по Фиг.16 и 17 описаны выше.
Хотя изобретение было описано на примере нескольких предпочтительных вариантов осуществления, следует понимать, что существует множество других вариантов осуществления настоящего изобретения.
1. Способ электролиза для извлечения металла из водного раствора, согласно которому при электролизе вызывают осаждение растворенного металла на поверхности осаждения катода, включающий в себя этап создания неравномерной плотности тока по поверхности осаждения таким образом, чтобы сформировать участки высокой плотности тока, перемеженные участками низкой плотности тока, при этом различие между участками высокой плотности тока и низкой плотности тока является достаточным для того, чтобы вызвать концентрирование осаждения металла на участках высокой плотности тока для способствования неравномерному осаждению металла по поверхности осаждения.
2. Способ по п.1, в котором участки высокой плотности тока и низкой плотности тока вытянуты вдоль упомянутой поверхности в одном направлении и чередуются по поверхности в накрестлежащем направлении.
3. Способ по п.1 или 2, который предназначен для извлечения меди из водного раствора, и плотность тока на участках высокой плотности тока находится в диапазоне 500-2500 А/м2, а предпочтительнее - составляет 1000 А/м2.
4. Способ по п.1 или 2, который предназначен для извлечения меди из водного раствора, и плотность тока на участках низкой плотности тока находится в диапазоне 0-1250 А/м2, а предпочтительнее - 0-500 А/м2.
5. Способ по п.1 или 2, дополнительно включающий в себя этап снятия осажденного металла с поверхности осаждения путем проведения элемента по упомянутой поверхности.
6. Способ по п.5, в котором участки высокой плотности тока и низкой плотности тока вытянуты вдоль упомянутой поверхности в одном направлении и чередуются по поверхности в накрестлежащем направлении, а элемент перемещают в том направлении, в котором вытянуты участки высокой и низкой плотности тока.
7. Способ по п.5, в котором осажденный металл снимают упомянутым элементом при поддержании электрического тока в водном растворе.
8. Способ по п.5, в котором элемент является подвижным между первым и вторым положениями и выполнен с возможностью проведения по поверхности осаждения в любом из первого и второго положений.
9. Способ по п.8, в котором при нахождении в своем первом положении элемент находится в контакте с поверхностью осаждения или в непосредственной близости к ней так, что снимает по существу весь осажденный материал с этой поверхности.
10. Способ по п.7 или 8, в котором при нахождении в своем втором положении элемент отстоит от поверхности осаждения и выполнен с возможностью зацепления и снятия осажденного материала, который выступает на заданное расстояние от поверхности осаждения.
11. Электролизер для электрохимического извлечения металла из водного раствора, содержащий катод, который включает в себя поверхность осаждения, на которую осаждается металл при электролизе водного раствора, причем во время работы электролизера поверхность осаждения имеет неоднородное электрическое поле, имеющее участки сильного электрического поля, перемеженные участками слабого электрического поля, причем различие между участками сильного электрического поля и слабого электрического поля является достаточным для того, чтобы вызвать концентрирование осаждения металла на участках сильного электрического поля для способствования неравномерному осаждению металла на упомянутой поверхности.
12. Электролизер по п.11, в котором участки сильного электрического поля и слабого электрического поля вытянуты вдоль поверхности в одном направлении и чередуются по поверхности в накрестлежащем направлении.
13. Электролизер по п.11 или 12, в котором поверхность осаждения катода содержит упорядоченный набор чередующихся гребней и впадин, при этом гребни образуют участки сильного электрического поля, а впадины образуют участки слабого электрического поля.
14. Электролизер по п.13, в котором катод содержит лист с по меньшей мере одной основной поверхностью, которая образует поверхность осаждения катода, при этом лист предварительно отформован для придания ему чередующихся гребней и впадин.
15. Электролизер по п.14, в котором лист имеет противоположные основные поверхности, каждая из которых образует поверхность осаждения катода.
16. Электролизер по п.15, в котором лист сложен с образованием впадин и гребней на противоположных поверхностях осаждения, при этом гребни на одной поверхности осаждения являются прямо противоположными впадинам на противоположной поверхности осаждения и наоборот.
17. Электролизер по п.14, в котором лист имеет в целом равномерную толщину.
18. Электролизер по любому из пп.14-17, в котором лист выполнен из титана.
19. Электролизер по п.14, дополнительно содержащий по меньшей мере один проводящий элемент, который простирается вдоль упомянутого листа, при этом проводящий элемент электрически соединен с упомянутым листом с тем, чтобы при работе снабжать поверхность осаждения электронами в процессе электролиза.
20. Электролизер по п.19, в котором проводящий элемент имеет достаточный размер для придания листу жесткости.
21. Электролизер по п.19 или 20, в котором катод содержит второй лист, который соединен с упомянутым первым листом и который имеет основную поверхность, которая образует вторую поверхность осаждения катода, при этом второй лист предварительно отформован для придания ему упомянутых чередующихся гребней и впадин вдоль упомянутой поверхности осаждения.
22. Электролизер по п.21, в котором второй лист соединен с упомянутым первым листом катода так, чтобы сформировать множество полостей, которые вытянуты в направлении чередующихся гребней и впадин, при этом полости выполнены с возможностью размещения в них проводящего элемента катода.
23. Электролизер по любому из пп.11, 12, 14 - 17, 19, 20 и 22, дополнительно содержащий зачищающее устройство, которое выполнено с возможностью проведения по упомянутой поверхности осаждения катода с тем, чтобы снять осажденный материал с этой поверхности осаждения.
24. Электролизер по п.23,в котором поверхность осаждения катода содержит упорядоченный набор чередующихся гребней и впадин, при этом гребни образуют участки сильного электрического поля, а впадины образуют участки слабого электрического поля, а зачищающее устройство содержит множество выступов, которые выполнены с возможностью помещения в соответствующие впадины поверхности осаждения.
25. Катод для использования в электролизере для электрохимического извлечения металла из водного раствора, имеющий поверхность осаждения с упорядоченным набором чередующихся гребней и впадин.
26. Механизм для съема металла, осажденного на поверхность осаждения катода по п.25, содержащий множество элементов, выполненных с возможностью выступания в соответствующие впадины и перемещения вдоль них с тем, чтобы удалять осажденный металл с гребней и впадин.
27. Механизм по п.26, в котором элементы имеют форму, в целом соответствующую впадинам.
28. Механизм по п.26 или 27, в котором элементы выполнены из керамического материала.
29. Механизм по п.26 или 27, в котором элементы выполнены с возможностью шарнирного перемещения между первым положением, в котором элементы выступают во впадины, и вторым положением, в котором элементы не выступают таким образом.
